DE937203C

DE937203C - Capacitive measuring circuit for measuring elongations

Info

Publication number: DE937203C
Application number: DEL16859A
Authority: DE
Inventors: Emil Dr-Ing Loeb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-10-15
Filing date: 1953-10-15
Publication date: 1955-12-29

Description

Kapazitive Meßschaltung zur Messung von Elongationen Vielfach ist man gezwungen, sehr kleine Abstände oder periodische Abstandsänderungen räumlich ausgedehnter metallischer oder nichtmetallischer Körper gegenüber einem festen Bezugspunkt zu messen, ohne dieselben zu berühren oder zu beeinflussen. Nach R i e g g e r (Wiss. Veröff. Siemens-Konzern, III 2, 67, I924) existiert hierzu eine Schaltung, bei der ein kleiner Abtastkondensator, dessen eine Belegung bei leitfähigem Meßobjekt durch dieses selbst und dessen andere durch eine feststehende Gegenelektrode gebildet wird, einen Teil der Festkapazität eines Hochfrequenz-Parallelschwingungskreises ersetzt. Zur Anregung des Parallelschwingungskreises wird die Frequenz eines Hochfrequenzsenders so gewählt, daß sich der Arbeitspunkt im Ruhezustand des Meßobjektes (Körper) etwa auf halber Höhe einer Flanke der Resonanzkurve dieses Kreises befindet. Wird z. B. der Abstand des Meßobjektes von der Gegenelektrode periodisch geändert, so entstehen periodische Änderungen der Kapazität des Abtastkondensators und somit periodische Verstimmungen des Parallelschwingkreises. D!ie hiermit verbundenen periodischen Spannungsänderungen am Parallelschwingkreis sind den zu messenden Abstandsänderungen des schwingenden Körpers (Meßobjekt) gegenüber der festen Gegenelektrode proportional und können in bekannter Weise gemessen werden.Capacitive measuring circuit for measuring elongations In many cases one is forced to use very small distances or periodic changes in distance in a spatially extended manner metallic or non-metallic body relative to a fixed reference point measure without touching or influencing them. According to R i e g g e r (Wiss. Publ. Siemens Group, III 2, 67, I924) there is a circuit for this in which a small sampling capacitor, one of which is assigned when the DUT is conductive this itself and its other formed by a fixed counter electrode becomes part of the fixed capacitance of a high-frequency parallel oscillation circuit replaced. The frequency of a high-frequency transmitter is used to excite the parallel oscillation circuit chosen so that the working point is about is located halfway up a flank of the resonance curve of this circle. Is z. B. periodically changed the distance of the object to be measured from the counter electrode, so arise periodic changes in the capacitance of the sampling capacitor and thus periodic Detuning of the parallel resonant circuit. The associated periodic Changes in voltage on the parallel resonant circuit are the changes in distance to be measured of the vibrating body (measurement object) proportional to the fixed counter electrode and can be measured in a known manner.

Bei dem Verfahren nach R i e g g er zeigt es sich als besonders nachteilig, daß zur Messung der Amplituden von schwingenden Körpern eine sehr genaue Einstellung des Ruheabstandes des Abtastkondensators die Voraussetzung für eine richtige Messung ist. Dies ist insbesondere dann sehr wichtig, wenn die Ergebnisse von anderen Meßstellen am selben schwingenden Körper miteinander verglichen werden sollen, wie dies z. B. bei der punktweisen Ausmessung der Schwingungsformen von Klangkörpern der Fall ist. Bei größeren Versuchsreihen wirkt sich daher das fortwährende Neneinstellen des Ruheabstandes verständlicherweise sehr zeitraubend aus. Ein weiterer Nachteil der Methode nach Riegger ist darin zu sehen, daß der schwingende Körper metallisch sein muß. Für Messungen an nichtmetallischen Körpern ist man dann gezwungen, an den interessierenden Stellen kleine Metallfolien mit Zuleitungen als schwingende Elektrode anzubringen. In the case of the R i e g g er method, it is particularly disadvantageous that for measuring the amplitudes of vibrating bodies a very precise setting the rest distance of the sampling capacitor is a prerequisite for a correct measurement is. This is especially important when the results from other measuring points are to be compared with each other on the same vibrating body, as z. B. at the point-by-point measurement of the vibration forms of sound bodies the case is. In the case of larger series of tests, the constant Neneinstellung therefore has an effect the rest distance is understandably very time consuming. Another disadvantage The Riegger method can be seen in the fact that the vibrating body is metallic have to be. For measurements on non-metallic bodies, one is then forced to the places of interest small metal foils with leads as vibrating To attach the electrode.

Alle diese Nachteile werden erflndungsgemäß dadurch beseitigt, daß man als Schwingungskreis eine am Anfang kurzgeschlossene konzentrische (2 n- i) 2/4-Lecherleitung benutzt, an deren Ende man eine geeignete Streukapazität anbringt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Abb. I schematisch dargestellt. Abb .2 zeigt eine Eichkurve. All these disadvantages are eliminated according to the invention in that the oscillation circuit is a concentric (2 n- i) short-circuited at the beginning 2/4 Lecher line is used, at the end of which a suitable stray capacitance is attached. The arrangement according to the invention is shown schematically in FIG. Fig. 2 shows a calibration curve.

Die Messung geht so vor sich, daß ein Hochfrequenzsender s (Abb. I) die Leitung an ihrem Anfang mittels einer kleinen Koppelschleife K - z. B. bei einer Wellenlänge von 2 5ocm - in ihrer Resonanzwellenlänge erregt. Am offenen Leitungsende tritt dann ein Spannungsbauch und damit ein elektrisches Streufeld auf, dessen Eigenschaften man durch entsprechende Formgebung des Leitungsendes weitgehend beeinflussen kann. Bringt man in die Nähe des offenen Leitungsendes einen beliebigen auch nichtmetallischen Stoff, so wird die infolge des Streufeides am Leitungsende vorhandene Blelastungskapazität vergrößert und auf diese Weise die elektrische Länge der Leitung-verändert. Man erhält dann infolge der Verstimmung der Leitung eine Flanke der Leitungsresonanzkurve. Mittels einer in der Nähe des Leitungsendes angeordneten Meßdiode Md wird der zum jeweiligen Abstand d eines Körpers vom Leitungsende gehörig Lichtstrom gemessen. Es ergeben sich dann Kurven, ähnlich der, wie sie z. B. bei einem Außenrohrdurchmesser der konzentrischen Lecherleitung von D = 10 mm für Holz bei einer Wellenlänge von AR = 50 cm erhalten wurde (Abb. 2).The measurement is carried out in such a way that a high-frequency transmitter s (Fig. I) the line at its beginning by means of a small coupling loop K - z. B. at a Wavelength of 2 5ocm - excited in their resonance wavelength. At the open end of the line Then a voltage bulge occurs and with it a stray electrical field, its properties can be largely influenced by shaping the end of the line accordingly. If you bring any non-metallic end of the line near the open end of the line Substance, this is the load capacity that is present at the end of the line as a result of the scattering flood increases and in this way changes the electrical length of the line. Man then receives an edge of the line resonance curve as a result of the detuning of the line. By means of a measuring diode Md arranged near the end of the line, the for respective distance d of a body from the line end corresponding luminous flux measured. There are then curves, similar to how they z. B. with an outer tube diameter the concentric Lecher line of D = 10 mm for wood at a wavelength of AR = 50 cm was obtained (Fig. 2).

Führt der in die Nähe des Leitungsendes gebrachte Körper mechanische Schwingungen aus, so bewirken diese eine periodische Verstimmung der Lecherleitung. Der Meßdiodenstrom kann dann in der üblichen Weise verstärkt und im Anzeigegerät J gemessen werden. Es zeigt sich daß die Empfindlichkeit der Anordnung in weiten Grenzen konstant, also abstandsunabhängig bleibt. Im Beispiel für Holz (Abb. 2) beträgt die Meßempfindlichkeit 0,3 mV/p£ innerhalb eines Bereichs von etwa 1 mm Abstandsänderung. Bei nichtmetallischen Körpern hängt die Empfindlichkeit der Meßanordnung auch noch von der Dicke und von der Dielektrizitätskonstante des Meßobjektes ab. Man kann die Empfindlichkeit der Anordnung durch Verwendung noch kürzerer Meßwellenlängen steigern. Bei gegebener Wellenlänge hängt die Empfindlichkeit außerdem noch vom Durchmesserverhältnis der verwendeten Rohrleiter der konzentrischen Lecherleitung ab. Man erhält ein Optimum der Empfindlichkeit, wenn das Verhältnis des Innenleiterdurchmessers zum Außenleiterdurchmesser zwischen den Werten 0,2 und 0,5 liegt. Eine weitere Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Meßanordnung zu steigern, besteht darin, daß man nicht von der Abstimmung der konzentrischen Lecherleitung auf den Abstand »Unendlich« ausgeht, sondern von einem kleineren Ruheabstand. Does the body brought near the end of the line lead mechanically Vibrations, they cause a periodic detuning of the Lecher line. The measuring diode current can then be amplified in the usual way and in the display device J measured. It turns out that the sensitivity of the arrangement is wide The limits remain constant, i.e. independent of the distance. In the example for wood (Fig. 2) the measurement sensitivity is 0.3 mV / p £ within a range of about 1 mm Change in distance. In the case of non-metallic bodies, the sensitivity of the measuring arrangement depends also depends on the thickness and the dielectric constant of the test object. The sensitivity of the arrangement can be increased by using even shorter measurement wavelengths increase. At a given wavelength, the sensitivity also depends on the Diameter ratio of the pipelines used in the concentric Lecher line away. Optimum sensitivity is obtained when the ratio of the inner conductor diameter to the outer conductor diameter is between the values 0.2 and 0.5. One more way, To increase the sensitivity of the measuring arrangement consists in not of the adjustment of the concentric Lecher line to the distance "infinite" starts, but from a smaller resting distance.

Man erhält dann beim Andern des Abstandes des Meßobjektes vom Leitungsende beide Flanken der Resonanzkurve, je nachdem, ob man den Abstand verkleinert oder vergrößert, wobei aber nun mit kleiner werdenden Ruheabständen die Flanken der Resonanzkurven immer steiler werden, d. h. also die Empfindlichkeit immer größer wird. Allerdings wird dann der Bereich konstanter Empfindlichkeit mit kleineren Ruheabständen ebenfalls kleiner.One then obtains when changing the distance between the test object and the end of the line both edges of the resonance curve, depending on whether the distance is reduced or enlarged, but now the flanks of the resonance curves as the rest distances become smaller become steeper and steeper, d. H. so the sensitivity is getting bigger and bigger. However the area of constant sensitivity with smaller resting distances becomes then as well smaller.

Man kann schließlich nach dieser Methode auch mechanische Schwingungsweiten von Metallmembranen messen, z. B. dadurch, daß man das Rohrleitungsende mit einer Metallmembran abschließt und den Innenleiter etwas gegenüber dem Außenleiter verkürzt (Kondensatormikrophon in der Hochfrequenzschaltung). Finally, this method can also be used to achieve mechanical oscillation amplitudes measure of metal diaphragms, e.g. B. by the fact that the pipe end with a Metal membrane closes off and the inner conductor is shortened slightly compared to the outer conductor (Condenser microphone in the high frequency circuit).

PATENTANSPRtJCHE: I. Kapazitive Meßschaltung zur Messung von Elongationen, dadurch gekennzeichnet, daß am offenen Ende einer konzentrischen Lecherleitung eine Streukapazität angebracht ist. PATENT CLAIMS: I. Capacitive measuring circuit for measuring elongations, characterized in that at the open end of a concentric Lecher line one Stray capacitance is appropriate.

Claims

2. Capacitive measuring circuit according to claim 1, characterized in that that the . Length of the concentric Lecher line is chosen so that the stray capacitance is a maximum at the open end of the line.

3. Capacitive measuring circuit according to claim 1, characterized in that that the shape of the pipe end makes the resonance curve flank linear.

4. Capacitive measuring circuit according to claim I b.is 3, characterized in that that the diameter ratio of the pipe conductors is between the values 0.2 and 0.5.

5. Capacitive measuring circuit according to claim I to 4, characterized in that that when measuring non-conductive substances to achieve constant sensitivity with reduced thickness or lower dielectric constant of the test object Measurement frequency is increased.

6. Capacitive measuring circuit according to claim 1, 2 and 4, characterized in that that the end of the pipe is closed off by a metal membrane with the inner conductor set back is.

7. Capacitive measuring circuit according to claim 1, 2, 4 and 6, characterized in that that the inner conductor end is designed at the same time as a microphone counter-electrode.